Ce se întâmplă cu un obiectiv de cameră înainte de a ajunge la senzor?
Fă o fotografie.
Se simte instantaneu.
Lumina intră în cameră, senzorul o captează și, cumva, apare o imagine pe ecran.
Simplu, nu?
Ei bine, din perspectiva unui inginer optic, nu chiar.
Între scena din lumea reală și pixelii minuscul de pe senzorul de imagine, lumina trebuie să treacă printr-o călătorie surprinzător de complicată. Este refractat, focalizat, parțial reflectat, absorbit, distorsionat și, după toate acestea, sperăm că este livrat la locul potrivit, cu suficient contrast pentru a fi util.
Ultima parte este în cazul în care un bunobiectivul camereiîși câștigă banii.
Oamenii își imaginează uneori o lentilă ca pe o bucată de sticlă a cărei singura sarcină este „focalizarea imaginii”.
Această descriere este adevărată din punct de vedere tehnic, aproximativ în același mod în care spune că o mașină de Formula 1 este „un vehicul cu patru roți” este adevărată.
Se întâmplă considerabil mai mult.
Totul începe cu lumina din scenă
Înainte ca obiectivul să facă ceva, există scena în sine.
Fiecare obiect din fața camerei reflectă sau emite lumină. Acea lumină călătorește către cameră din direcții diferite și cu lungimi de undă diferite.
O mașină roșie, de exemplu, nu trimite pur și simplu „lumină roșie” către cameră într-un singur fascicul. Lumina sosește din diferite părți ale vehiculului, în unghiuri diferite, cu intensități diferite.
Obiectivul trebuie să preia această colecție haotică de raze de lumină și să o organizeze într-o imagine.
Aceasta este, în esență, treaba sistemului optic:
Luați lumina care vine din diferite direcții și faceți-o să formeze o imagine controlată pe senzor.
Și imediat, apare o problemă.
Lumina nu se comportă în mod natural așa cum și-ar dori inginerii.
Când lumina trece din aer în sticlă, direcția acesteia se schimbă. Când trece printr-un alt element optic, se schimbă din nou.
Aceasta se numește refracție.
Selectând cu atenție forma și materialul fiecărui element optic, designerii de lentile folosesc acest comportament pentru a controla locul unde razele se întâlnesc în cele din urmă.
De aceea, un obiectiv de cameră poate conține mai multe elemente optice, mai degrabă decât o singură bucată de sticlă.
Lentila nu este o singură lentilă
Priviți un obiectiv modern al camerei și este posibil să vedeți un mic obiect cilindric.
În interior, însă, pot exista mai multe elemente optice.
Fiecare element are un loc de muncă.
Unele ajută la focalizarea imaginii. Alții corectează aberațiile. Unele îmbunătățesc performanța marginii. Unele ajută la controlul distorsiunii sau aberațiilor cromatice.
Partea interesantă este că aceste elemente nu funcționează independent.
Ele funcționează ca un sistem.
Un designer poate modifica curbura unui element și apoi trebuie să ajusteze un alt element pentru a compensa efectul.
Schimbați diafragma și comportamentul optic se poate schimba din nou.
Faceți obiectivul mai mic și designul devine mai dificil.
Măriți câmpul vizual și distorsiunea devine mai greu de controlat.
Cereți performanță F1.0 și designerul optic primește o altă bătaie de cap gratuit.
Acesta este motivul pentru care designul optic este în mod fundamental un exercițiu de compromis.
Rareori ajungi să maximizezi totul simultan.
Apoi vine Diafragma
Undeva în interiorul sistemului optic se află diafragma.
Vă puteți gândi la diafragmă ca fiind „gardnul” care controlează cât de multă lumină intră în obiectiv.
Un obiectiv F1.0 are o deschidere relativă foarte mare, permițând mult mai multă lumină în sistemul optic decât un obiectiv cu deschidere mai mică.
Acest lucru devine deosebit de important în imaginile cu lumină scăzută.
Dar există o captură.
O deschidere mai mare nu înseamnă pur și simplu „mai bine”.
Când deschideți deschiderea, mai multe raze din porțiunile exterioare ale sistemului optic sunt implicate în formarea imaginii. Aceste raze sunt în general mai greu de controlat.
Ca urmare, aberațiile pot deveni mai vizibile.
Acesta este unul dintre motivele pentru care proiectarea unui obiectiv F1.0 de înaltă performanță este mult mai dificilă decât simpla mărire fizică a diafragmei.
Pentru aplicații precum supravegherea nocturnă, totuși, compromisul poate fi util.
Când lumina disponibilă este limitată, colectarea mai multor ei poate face diferența între o imagine utilă și una zgomotoasă.
Nu orice rază ajunge la senzor în același mod
Iată un detaliu care devine deosebit de important atunci când selectați un obiectiv pentru un senzor de imagine modern:
Unghiul la care lumina ajunge la senzor contează.
Inginerii vorbesc adesea despreChief Ray Angle sau CRA.
În termeni simpli, CRA descrie unghiul razei principale care atinge diferite zone ale senzorului.
De ce ar trebui să ne pese?
Pentru că senzorii moderni de imagine nu sunt pur și simplu bucăți plate de material sensibil la lumină care așteaptă cu răbdare ca ceva să le lovească.
Există structuri microscopice deasupra fotodiodelor, inclusiv microlentile și alte straturi.
Dacă lumina primită ajunge într-un unghi nepotrivit, în special spre marginea senzorului, este posibil ca senzorul să nu folosească acea lumină atât de eficient pe cât era de așteptat.
Acesta este unul dintre motivele pentru care potrivirea lentilelor și a senzorului contează.
Un obiectiv poate avea distanța focală și formatul de senzor corecte și totuși să nu fie o potrivire optică ideală.
Cercul de imagine: va acoperi cu adevărat lentila senzorul?
Iată o altă problemă surprinzător de comună.
Un obiectiv produce un cerc de imagine.
Senzorul se află în interiorul acelui cerc de imagine și folosește porțiunea care cade pe zona sa activă.
Dacă cercul imaginii este prea mic, este posibil ca colțurile senzorului să nu primească suficiente informații despre imagine.
Rezultatul poate fi vignetare sau chiar colțuri întunecate vizibile.
Acesta este motivul pentru care formatul senzorului contează.
O lentilă proiectată pentru un senzor mai mic nu poate fi pur și simplu atașată la un senzor mult mai mare și de așteptat să funcționeze perfect.
S-ar putea să le conectați fizic pe cele două.
Din punct de vedere optic, însă, relația poate fi mai puțin cooperantă.
Acesta este, de asemenea, motivul pentru care inginerii se uită la dimensiunile reale ale senzorului, mai degrabă decât să se bazeze doar pe etichete precum „1/2,7-inch” sau „1/1,8-inch”.
Aceste nume de format sunt prescurtare utile, dar zona activă reală și cerințele optice sunt cele care contează în cele din urmă.
Și apoi sunt aberații
Aici ingineria optică devine puțin mai puțin plină de farmec.
Lumina care trece printr-o lentilă reală nu focalizează întotdeauna exact acolo unde ne dorim.
Diferitele lungimi de undă se pot comporta diferit.
Razele care trec prin diferite părți ale lentilei pot, de asemenea, să se concentreze diferit.
Acest lucru creează diverse aberații optice.
Aberația cromatică poate produce franjuri de culoare.
Aberația sferică poate reduce claritatea imaginii.
Astigmatismul poate afecta modul în care sunt reproduse detaliile fine.
Coma poate face ca obiectele punctiforme să pară distorsionate, în special spre margini.
Iar curbura câmpului înseamnă că planul de cea mai bună focalizare ar putea să nu se comporte așa cum ar prefera inginerii cu senzori perfect plat.
Niciuna dintre aceste probleme nu sună deosebit de interesantă.
Dar sunt exact genul de lucruri care determină dacă un obiectiv produce o imagine clară sau ceva care arată suspect de parcă are nevoie de ochelari.
Designul optic modern se referă în mare parte la controlul acestor imperfecțiuni.
Imaginea nu este la fel de clară peste tot
Acest lucru ne duce la una dintre cele mai mari neînțelegeri despre rezoluția obiectivului.
O lentilă nu funcționează neapărat la fel de bine la centru și la margine.
Centrul imaginii este de obicei mai ușor de controlat.
Pe măsură ce vă deplasați spre margine, performanța optică poate scădea.
Acest lucru este deosebit de important pentru obiectivele cu unghi larg.
Imaginează-ți o cameră de supraveghere care monitorizează o parcare.
Centrul imaginii poate fi extrem de clar.
Dar ce se întâmplă când un vehicul intră din lateral?
Dacă rezoluția marginilor este slabă, camera poate avea din punct de vedere tehnic un senzor de înaltă rezoluție, oferind în același timp mult mai puține detalii utile acolo unde contează.
Acesta este motivul pentru care inginerii optici se uită la performanța MTF în câmpul imaginii, în loc să întrebe pur și simplu dacă un obiectiv este „4MP” sau „8MP”.
Numărul de pixeli vă spune ce poate eșantiona senzorul.
MTF vă ajută să vă spuneți cât de eficient sistemul optic poate oferi detalii acelor pixeli.
Înainte ca lumina să ajungă în sfârșit la senzor
Chiar și după trecerea prin elementele obiectivului, deschiderea și corecțiile optice, lumina poate întâlni componente suplimentare.
În funcție de designul camerei, calea optică poate include:
Ferestre de protecție
Filtre tăiate IR
Sticlă de acoperire a senzorului
Filtre trece-jos
Alte acoperiri sau structuri optice
Fiecare suprafață suplimentară poate influența sistemul optic.
Reflecția poate reduce transmisia.
Acoperirile slabe pot crește erupția sau fantoma.
Grosimea și proprietățile de refracție ale componentelor din fața senzorului pot afecta, de asemenea, focalizarea și performanța optică.
Acest lucru este deosebit de important în sistemele de camere compacte, unde totul este împachetat într-un spațiu foarte mic.
Designerul optic nu poate spune pur și simplu:
„Aceasta este problema producătorului senzorului.”
Întreaga stivă optică contează.
În cele din urmă, lumina ajunge la senzor
După toate aceste interacțiuni, lumina ajunge în sfârșit la senzorul de imagine.
Senzorul transformă fotonii care intră în semnale electrice.
În acest moment, poate părea că obiectivul și-a terminat treaba.
De fapt, aici puteți vedea în sfârșit dacă obiectivul și-a făcut bine treaba.
Dacă sistemul optic a fost livrat:
Suficientă lumină
contrast bun
Detaliu fin
Aberații controlate
Unghiuri adecvate ale razei
Acoperire adecvată a imaginii
senzorul are informații utile pentru a lucra.
Dacă nu, sistemul de procesare a imaginii are o problemă dificilă pe mâini.
Reducerea zgomotului poate reduce zgomotul.
Ascuțirea poate îmbunătăți marginile.
Algoritmii AI pot îmbunătăți imaginile.
Dar software-ul nu poate recupera perfect informații optice care nu au fost niciodată capturate.
De aceea, calitatea optică rămâne importantă chiar dacă imagistica computațională devine mai sofisticată.
De ce alegerea lentilelor și a senzorului ar trebui să se întâmple împreună
Aceasta este probabil lecția practică pe care aș sublinia-o cel mai puternic.
Nu alegeți mai întâi un senzor și apoi întrebați întâmplător:
„Ce obiectiv îi putem pune?”
Pentru multe proiecte, selecția lentilelor și a senzorilor ar trebui luate în considerare împreună.
Inginerul trebuie să înțeleagă relația dintre:
Senzor + Lentila + Diafragma + Câmp de vizualizare + Procesarea imaginii + Iluminare
O modificare a unei părți le poate afecta pe celelalte.
O dimensiune mai mică a pixelilor poate crește cerințele de rezoluție optică.
Un câmp vizual mai larg poate crește distorsiunea și provocările legate de performanța marginilor.
O deschidere mai mare poate îmbunătăți performanța în condiții de lumină scăzută, în timp ce controlul aberațiilor este mai dificil.
Un alt senzor poate modifica cerințele CRA.
Acesta este motivul pentru care furnizorii cu experiență de optică pun adesea întrebări surprinzător de detaliate înainte de a recomanda un obiectiv.
Nu pentru că le place actele.
De obicei, ei încearcă să evite să recomande ceva care arată perfect pe hârtie și care te dezamăgește atunci când este conectat la camera reală.
Calea optică este cu adevărat un lanț de decizii
Odată ce înțelegeți ce se întâmplă între scenă și senzor, un lucru devine clar:
Un obiectiv de cameră nu este doar „focalizarea luminii”.
Gestionează lumina.
Fiecare suprafață optică, fiecare curbură, fiecare distanță, fiecare acoperire și fiecare toleranță mecanică afectează imaginea finală.
Lentila trebuie să colecteze suficientă lumină.
Trebuie să direcționeze acea lumină corect.
Trebuie să controleze aberațiile.
Trebuie să ofere o rezoluție suficientă.
Trebuie să se potrivească cu senzorul.
Și, în mod ideal, trebuie să facă toate acestea de mii sau milioane de ori cu performanță constantă.
De aceea, un obiectiv de cameră mic poate conține o cantitate impresionantă de inginerie.
La Boshi Optics, soluțiile optice sunt dezvoltate pentru aplicații, de la supravegherea securității și viziunea AI până la drone, imagini auto, dispozitive medicale și alte sisteme de imagistică. Capacitățile de producție ale companiei acoperă procesarea componentelor optice, turnarea de precizie, turnarea prin injecție, asamblarea lentilelor și testarea optică.
Imaginea finală poate părea simplă.
Călătoria care a creat-o este orice altceva decât.
Un ultim mod de a te gândi la asta
Data viitoare când te uiți la specificațiile unei camere și vezi:
Senzor de 8MP
nu vă imaginați imediat opt milioane de bucăți mici de detalii.
Imaginează-ți opt milioane de oportunități de a înregistra informații.
Apoi intreaba:
Ce le-a oferit de fapt obiectivul?
Această întrebare este mult mai aproape de inima ingineriei optice.
Pentru că senzorul înregistrează imaginea.
Dar înainte ca senzorul să poată înregistra ceva, obiectivul trebuie să îi ofere ceva ce merită înregistrat.
